【正文】 父母是我生命中最重要的人，我今天取得的成績(jī)與他們?yōu)槲业母冻鍪欠植婚_的。 感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師 陳樹越 老師，您的指導(dǎo)和教誨將我領(lǐng)進(jìn)了單片機(jī)這一扇大門。 感謝我的各位專業(yè)授課老師，正是你們的辛勤工作，使我對(duì)本專業(yè)產(chǎn)生了濃厚的興趣，而且學(xué)到了很多的知識(shí)，掌握了很多的方法。 其實(shí)生活的道路一直不是這么平坦的，在前進(jìn)的道路上，我遇到了很多的困難和挫折，但是憑借著自己的毅力和周圍老師、同學(xué)的幫助，我最終都努力地克服了。感謝學(xué)校為我提供了自我發(fā)揮的舞臺(tái)，我在這里盡情展現(xiàn)自己的才能。（ 5）通過此次的設(shè)計(jì)，使我深刻的體會(huì)到團(tuán)隊(duì)合作精神的重要性及相互討論過程中的樂趣。（ 3）通過此次的設(shè)計(jì)，使我對(duì)硬件設(shè)計(jì)和各模塊的功能有了更深的了解，同時(shí)提高了動(dòng)手能力。經(jīng)過這次畢設(shè)，我收獲了很多，具體總結(jié)如下：（ 1）通過此次的設(shè)計(jì)，使我知道了無論做什么事都應(yīng)該事先做好充分的準(zhǔn)備，不應(yīng)該盲目的只為了完成任務(wù)而被動(dòng)的學(xué)習(xí)。然而科技的進(jìn)步勢(shì)必會(huì)使測(cè)量?jī)x的功能日益強(qiáng)大和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大，將會(huì)給我們的生活帶來更多的方便和精彩。 本次所設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、功能穩(wěn)定、使用方便，應(yīng)用廣泛，具有實(shí)際意義。重點(diǎn)介紹了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，通 過單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了脈搏的測(cè)量系統(tǒng)，由光電傳感器采集到脈沖信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)的放大、濾波和整形電路將輸出的信號(hào)通過單片機(jī)的外部中斷獲取并最終在數(shù)碼管上顯示。而 51單片機(jī)作為單片機(jī)的主流，隨著集成技術(shù)的發(fā)展， 51系列單片機(jī)繼承和發(fā)展了 MCS51系列的技術(shù)特色，有逐漸取而代之之勢(shì)。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過軟件方法來實(shí)現(xiàn)了。 表 仿真的數(shù)據(jù) 輸入脈沖頻率 實(shí)際脈沖次數(shù) /分 測(cè)得脈沖次數(shù) /分 相對(duì) 誤差 78 78 0 5Hz 300 300 0 10Hz 600 600 0 12Hz 720 720 0 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 40頁(yè) 共 46頁(yè) 8 總結(jié)和展望 單片機(jī)近 20年的飛速發(fā)展，儼然已成為計(jì)算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要方面。 圖 整形電路輸出信號(hào) 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 38頁(yè) 共 46頁(yè) 單片機(jī)電路仿真 在單片機(jī)部分仿真時(shí)， INT0 腳 接一個(gè)脈沖信號(hào)發(fā)生器，設(shè)置頻率為 ， 單片機(jī)仿真電路如圖 ， 測(cè)試顯示脈沖次數(shù)如圖 。 波形如圖 所示 圖 一級(jí)放大電路輸出信號(hào) 二階低通濾波電路 經(jīng)過一級(jí)放大電路放大后的信號(hào)，由二階低通濾波電路 ， 為了檢驗(yàn)濾波電路的效果，把信號(hào)源用 脈搏信號(hào)仿真 加上一個(gè) 頻率為 50Hz，幅值為 的噪聲， 經(jīng)過濾波器后， 50Hz 頻率的信號(hào)基本濾掉了， 濾波后 波形如圖 所示。 信號(hào)采集與調(diào)理電路仿真 脈搏信號(hào) 仿真 在仿真中使用正弦波加一個(gè)直流分量模擬脈搏信號(hào)， 本次 脈搏信號(hào) 仿真使用的是頻率為 幅值為 的正弦信號(hào)加上 的直流分量，根據(jù)頻率換算成脈搏為 78（次 /分） ，脈搏信號(hào) 波形如圖 所示 。 斷開兩部分的連接點(diǎn)，先調(diào)試 MCU部分。 N Y T0中斷入口 T1代表的時(shí)間≥關(guān) T T0中斷 設(shè)計(jì)數(shù)結(jié)束的標(biāo)志為 1 結(jié)束 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 34頁(yè) 共 46頁(yè) 圖 顯示程序流程圖 顯示子程序 取結(jié)果 顯示測(cè)試中的脈搏數(shù) 延時(shí) 返回 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 35頁(yè) 共 46頁(yè) 7 系統(tǒng)仿真調(diào)試 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)的調(diào)試可分為兩大部分：模擬部分和純 MCU部分 。從中斷程序中取得結(jié)果后，在數(shù)碼管上顯示測(cè)試中的脈搏次數(shù)。 T0， T1 流程 如圖 所示。 T0 中斷開始執(zhí)行后 ， T1 檢測(cè) 代表的時(shí)間是否大于 60S，沒有大于 60S 則繼續(xù)檢測(cè)，大于 60S 則關(guān) T1,T0 中斷， 取出脈搏次數(shù)， 然后設(shè)計(jì)數(shù)結(jié)束的標(biāo)志為 1。 圖 主程序流程圖 Y N 開始 初始化 設(shè)置 T0、 T1值為 0 按鍵按下 開 T0,T1中斷 計(jì)數(shù)結(jié)束標(biāo)志=1？ 算出脈搏頻率 送顯示 結(jié)束 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 33頁(yè) 共 46頁(yè) 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器中斷程序流程的設(shè)計(jì) T0是 計(jì)數(shù)器 ， T1 是 定時(shí)器 。 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 31頁(yè) 共 46頁(yè) 圖 數(shù)碼管顯示電路 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 32頁(yè) 共 46頁(yè) 6 軟件系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 主程序流程的設(shè)計(jì) 本程序的主要思路是，利用單片機(jī)的兩個(gè)定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，得出一分鐘的脈搏數(shù)，最后送 LCD 顯示。使用 4位的共陰極 LED數(shù)碼管顯示脈搏次數(shù)。所以，需要選用合 適的顯示設(shè)備及顯示電路，來實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波動(dòng)頻率信息的顯示。 單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)電路如圖 所示。 來自傳感和整形輸出電路的脈沖電平輸入單片機(jī) 89C51 的 /INTO 腳，單片機(jī)設(shè)為負(fù)跳變中斷觸發(fā)模式，故每次脈沖下降沿到達(dá)時(shí)觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷并進(jìn)行計(jì)時(shí)， 來一個(gè)脈沖脈搏次數(shù)就加一 ；定時(shí)器中斷 主要完成一分鐘的定時(shí)功能。 其電路原理圖如圖 。如圖 所示： 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 29頁(yè) 共 46頁(yè) 圖 二級(jí)放大電路 整形電路 由于單片機(jī)只能檢測(cè)到數(shù)字信號(hào)，因此，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后得到的模擬信號(hào)必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。 圖 二階濾波器 第二級(jí) 放大電路 經(jīng)過第一級(jí)放大電路，二階低通濾波電路后，放大倍數(shù)為 160 倍左右，考慮到整形電路輸入電壓不能高于 5V，第二級(jí)放大電路放大倍數(shù)選擇 50 倍，輸出電壓在 左右，符合要求。由截止頻率初步確定 C1 ， C2的數(shù)值。 在確定了 n? ，α，以及 A 后，另 R1=R2， C1=C2，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。選擇α =√2，為 Butterworth 逼近方式。 圖 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 27頁(yè) 共 46頁(yè) 圖 幅頻特性 （ 3）方案確定 由于使用二階有源濾波器能夠很好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的濾波目的，所以選擇使用方案二，即二階有源濾波器。二階有源濾波器的電路圖如圖 所示。 圖 無源濾波電路 圖 RC低通濾波器 幅頻特性 方案二：二階低通濾波器 采用二階有源濾波器， 通帶內(nèi)幅頻特性曲線比較平坦，而且二階也可以達(dá)到較陡的衰減的特性。其電路如圖 所示，特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，阻帶衰減太慢，選中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 26頁(yè) 共 46頁(yè) 擇性較差。在這個(gè)系統(tǒng)中最大的干擾就是來自市電的 50HZ 干擾信號(hào)，考慮到有些病人在患病時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)較高的脈搏，因此在設(shè)計(jì)濾波器的截止頻率在 10HZ 左右，這樣不但能保證不濾去脈搏信號(hào)，而且能很好的將干擾濾去。 運(yùn)放 U2A將信號(hào)放大，放大倍數(shù)由 R8 和 R4 的比值決定。 由于肌電干擾可能造成前置放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的偏移，甚至截至飽和，所以前置放大器的增益不能太大。兩個(gè)信號(hào)輸入端中， Vi（ ）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相反； Vi+（ +）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相同。 一 177。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。 一級(jí)放大電路 一級(jí)放大電路是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn) ,脈搏測(cè)量?jī)x要求在脈搏信號(hào)頻率范圍內(nèi)，不失真的放大所采集的微弱信號(hào) ,這要求所用的放大器必須具有低噪聲 ,低漂移 ,低失調(diào)參數(shù) ,高共模抑制比 ,高輸入阻抗 ,線形度小等特點(diǎn) 。當(dāng)有跳動(dòng)的脈搏時(shí)，血脈使手指透光性變差，紅外接收三極管中的暗電流減小，輸出電壓上升。雖然手指遮擋了紅外發(fā)射二極管發(fā)射的紅外光，但是由于紅外接收三極管中存在暗電流，會(huì)造成輸出電壓略低。當(dāng)手指離開傳感器或檢測(cè)到較強(qiáng)的干擾光線時(shí)，輸入端的直流電壓會(huì)出現(xiàn)很大變化，圖 中 北大學(xué) 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 22頁(yè) 共 46頁(yè) 為了使它不致泄露到 U2B 輸入端而造成錯(cuò)誤指示， 用 C C9 串聯(lián)組成的雙極性耦合電容把它隔斷。 R21 過大，通過紅外發(fā)射二極管的電流偏小，紅外接收三極管無法區(qū)別有脈搏和無脈搏時(shí)的信號(hào)。 信號(hào)采集電路 圖 是脈搏信號(hào)的采集電路， U3 是紅外發(fā)射和接收裝置，由于紅外發(fā)射二極管中的電流越大，發(fā)射角度越小，產(chǎn)生的發(fā)射強(qiáng)度就越大，所以對(duì) R21 阻值的選取要求較高。因此 本系統(tǒng)采用了指套式的透射型光電傳感器 , 實(shí)現(xiàn)了光電隔離 ,減少了對(duì)后級(jí)模擬電路的干擾。光電式脈搏傳感器按照光的接收方式可分為透射式和反射式 2種 [8]。在本設(shè)計(jì)中，紅外接收三極管和紅外發(fā)射二極管相對(duì)擺放以獲得最佳的指向特性。 采用發(fā)光二極管作為光源時(shí)，可基本抑制由呼吸運(yùn)動(dòng)造成的脈搏波曲線的漂移。 通過比較，我們可以發(fā)現(xiàn) LED 動(dòng)態(tài)顯示更加適合本設(shè)計(jì)，所以就采用此方法。通過調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可以既保證亮度，又保證顯示。對(duì)于每一位顯示器來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。隨著顯示 器位數(shù)的增加，需要的 I/O 口線也將增加。靜態(tài)顯示主要的優(yōu)點(diǎn)是顯示穩(wěn)定，在發(fā)光二極管導(dǎo)通電流一定的情況下顯示器的亮度大，系統(tǒng)運(yùn)行過程中，在需要更新顯示內(nèi)容時(shí)， CPU 才去執(zhí)行顯示更新子程序，這樣既節(jié)約了 CPU的時(shí)間，又提高了 CPU的工作效率。在這種顯示方式下，每一個(gè) LED數(shù)碼管顯示器都需要一個(gè) 8位的輸出口進(jìn)行控制。圖 中所示， 4是位選端； a~g、 Dp 是字選端。共陽(yáng)極的 LED數(shù)碼管顯示器的公共端為發(fā)光二極管的陽(yáng)極，通常接 +5V 電源，當(dāng)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。七段 LED 數(shù)碼管顯示器有 8 個(gè)發(fā)光二極管，其中從 a~g 管腳輸入顯示代碼，可顯示不同的數(shù)字或字符， Dp 顯示小數(shù)點(diǎn)。 LED 的結(jié)構(gòu) LED 數(shù)碼管顯示器是由發(fā)光的二極管顯示字段組成的。 LED 顯示器具有耗電省、成本低廉、配置簡(jiǎn)單靈活、安裝方便、耐振動(dòng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。顯示器的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極管顯示到 CRT 顯示器，都可以與微機(jī)配接。故只要把此電信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖并進(jìn)行整形、計(jì)數(shù)和顯示，即可實(shí)時(shí)的測(cè)出脈搏的次數(shù)。因此本設(shè)計(jì)將光敏二極管產(chǎn)生的紅外線照射到人體的手指部位，經(jīng)過手指組織的反射和衰減由 裝在該部位旁邊的光敏三管來接收其透射光并把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。在無光照時(shí)管子流過的電流為暗電流 Iceo=（ 1+β） Icbo（很?。?，比一般三極管的穿透電流還??；當(dāng)有光照時(shí)，激發(fā)大量的電子空穴對(duì)，使得基極產(chǎn)生的電流 Ib 增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流 Ic=（ 1+β） Ib，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。為增大光照，基區(qū)面 積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。 光敏三極管 光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。在外電場(chǎng)的作用下，光電載流子參于導(dǎo)電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。 光敏二極管 光敏二極管是最常見的光傳感器。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是 CCD圖像傳感器的誕生，為光電傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用開創(chuàng)了新的一頁(yè)。它可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等；也可用來檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。 光電傳感器是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。 12M） =1us。 復(fù)位電路 時(shí)鐘電路工作后，在 REST 管腳上加兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，芯片內(nèi)部開始進(jìn)行初始復(fù)位，如圖 ： 振蕩電路 本設(shè)計(jì)晶振選擇頻率為 12MHz，電容選擇 30pF 如圖 。 7. XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。每一個(gè)機(jī)器周期需 12 個(gè)振蕩器或時(shí)鐘周期。 RST 一旦變成高電平 ,所有的 I/O 引腳就 復(fù)位到“ 1”。 P3 口還接收一些用于閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。用作輸入時(shí) ,被外部拉低的 P3口引腳將用上拉電阻而流出電流 (IIL)。 P3口緩沖器可吸收 20mA 電流。 4. P3 口： P3 口的 ～ 、 是帶有內(nèi)部上拉電阻的七個(gè)雙